Tài liệu Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông vu gia thu bồn

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC TRẦN VĂN ĐẠT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN TRẦN VĂN ĐẠT CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN MÃ SỐ: 60440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh Cán bộ hướng dẫn phụ: Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Viết Thi Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày … tháng … năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Văn Đạt ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn” được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn và Tài nguyên nước - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường - Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Vân Anh. Em xin chân thành bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến TS Trương Vân Anh – người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng – Thủy văn cùng tập thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình em học tập tại trường. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến ban lãnh đạo Trạm thủy văn Nam Định, Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Nam Định, Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Ninh Bình, Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thời gian học tập và làm việc để tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Tuy nhiên, do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 Trần Văn Đạt iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC……………………………………………………………………..………… iii Thông tin luận văn ......................................................................................................v DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................v DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………… . vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN ..................................................................................................3 1.1. Tổng quan phương pháp dự báo lũ ......................................................................3 1.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng ...................................................................3 1.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ ................................................................4 1.1.3. Phương pháp hồi quy bội ..................................................................................4 1.1.4. Phương pháp mô hình toán ...............................................................................4 1.2. Tổng quan nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam và Thế Giới ..............................................................................................................................6 1.2.1. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Thế Giới ..............6 1.2.2. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam .............7 1.3. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ...............................10 1.3.1. Vị trí địa lý ......................................................................................................10 1.3.2. Đặc điểm địa hình ...........................................................................................11 1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng .......................................................................................12 1.3.4. Thực vật...........................................................................................................12 1.3.5. Mạng lưới sông suối ........................................................................................13 1.3.6. Đặc điểm Khí tượng Thủy văn ........................................................................17 1.4. Một số trận lũ lớn trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn . .................................28 iv CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU..31 2.1.Phương pháp truyền thống ..................................................................................31 2.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng: ................................................................31 2.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ ..............................................................31 2.2. Phương pháp mô hình toán (NAM - MIKE 11) .................................................33 2.2.1. Mô hình MIKE NAM......................................................................................34 2.2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 11 ..........................................................................38 2.3. Tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ vận hành mô hình ....................................42 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN ...................................................................................43 3.1. Xây dựng các phương án dự báo lũ trên lưu vực theo phương pháp hồi quy, tương quan .................................................................................................................43 3.1.1. Phương án dự báo cho trạm Ái Nghĩa.............................................................43 3.1.2. Phương án dự báo trạm Giao Thủy .................................................................47 3.2. Ứng dụng mô hình mike 11 dự báo lũ vùng nghiên cứu ...................................51 3.2.1. Ứng dụng mô hình toán MIKE NAM – MIKE 11 dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn .....................................................................................................52 3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM.........................................................59 3.2.3. Thiết lập mô hình thủy lực MIKE 11 - HD.....................................................63 3.3. Dự báo đỉnh lũ bằng phương pháp mô hình NAM – MIKE 11 .........................73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................79 v Thông tin luận văn + Họ và tên học viên: Trần Văn Đạt + Lớp: CH1T Khóa: I + Cán bộ hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh + Tên đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn”. + Tóm tắt: Luận văn được thực hiện trong 79 trang ngoài phần mở đầu và kết luận bao gồm ba chương chính: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ và lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. Trong chương 1, tác giả trình bày tổng quan phương pháp và tình hình nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam và trên Thế Giới. Trong chương này cũng sơ lược tổng quan về lưu vực nghiên cứu. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và cơ sở dữ liệu. Trong chương 2, tác giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn, các phương án dự báo được áp dụng trên lưu vực và cơ sở dữ liệu sử dụng phục vụ tính toán trong luận văn. Chương 3: Xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. Trong chương này, tác giả đã xây dựng được các phương án dự báo theo phương pháp truyền thống và ứng dụng mô hình toán để dự báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BĐ Báo động DEM Mô hình số độ cao H Mực nước NAM Mô hình MIKE NAM Q Lưu lượng nước X Lượng mưa BQNN Bình quân nhiều năm GIS Hệ thông tin địa lý VG - TB Vu Gia – Thu Bồn   Thời gian chảy truyền Độ lệch chuẩn vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái lưu vực hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ................15 Bảng 1.2: Tổng số giờ nắng tháng trung bình nhiều năm tại trạm Đà Nẵng và Trạm Trà My (Giờ) .............................................................................................................17 Bảng 1.3: Bảng nhiệt độ không khí bình quân tháng trung bình nhiều năm(0C) .....18 Bảng 1.4: Độ ẩm trung bình tháng bình quân nhiều năm (%) ..................................18 Bảng 1.5: lượng bốc hơi bình quân tháng trung bình nhiều năm (mm) ....................19 Bảng 1.6: Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm tại các trạm mưa ......................19 Bảng 1.7: Lưu lượng bình quân tháng trung bình nhiều năm tại Trạm Thành Mỹ và Nông Sơn...................................................................................................................22 Bảng 1.8. Mức báo động lũ và đặc trưng đỉnh lũ ở Sông Vu Gia – Thu Bồn ..........24 Bảng 1.9. Thời gian và tốc độ truyền lũ trên sông Vu Gia – Thu Bồn (1980- 2010) ...................................................................................................................................25 Bảng 1.10: Trạm Khí tượng Thủy văn trên lưu vực sông Thu Bồn - Vu Gia...........27 Bảng 3.1. Danh sách các lưu vực bộ phận hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ..........53 Bảng 3.2. Danh sách các trạm đo mưa được sử dụng trong mô hình NAM .............55 Bảng 3.3. Các thông số cần hiệu chỉnh và giới hạn ..................................................58 Bảng 3.4. Bộ thông số của mô hình NAM cho các nhập lưu....................................62 Bảng 3.5. Bộ thông số nhám tại các vị trí trên hệ thống sông ..................................67 Bảng 3.6: Mức hiệu quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2007 ......68 Bảng 3.7. Mức hiệu quả kiểm định bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2009. ......71 Bảng 3.8. Mức hiệu quả kiểm định bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2006 .......71 Bảng 3.9. Mực nước dự báo đến trạm Ái Nghĩa theo hai phương án .......................75 Bảng 3.10. Mực nước dự báo đến trạm Giao Thủy theo hai phương án ..................75 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phân loại mô hình toán thủy văn .................................................................5 Hình 1.2. Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn ...........................................................10 Hình 1.3. Bản đồ mạng lưới sông ngòi trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn .........16 Hình 1.4. Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn .....................................................................................................................26 Hình 2.1. Cấu trúc thẳng đứng của mô hình NAM ...................................................36 Hình 2.2. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott ...............................................40 Hình 3.1: Đường quá trình mực nước trạm trên trạm dưới và thời gian truyền lũ ...46 Hình 3.2. Sơ đồ thực hiện mô hình hóa hệ thống .....................................................51 Hình 3.3. Bản đồ DEM lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ........................................52 Hình 3.4. Bản đồ phân chia lưu vực trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn ............54 Hình 3.5. Sơ đồ phân bố các trạm mưa .....................................................................56 Hình 3.6. Bản đồ phân bố mưa theo phương pháp đa giác Thiessen .......................56 Hình 3.7. Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số MIKE NAM ...............................58 Hình 3.8. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Nông Sơn năm 2007 ...................................................................................................................................60 Hình 3.9. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thành Mỹ năm 200 ...................................................................................................................................60 Hình 3.10. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Nông Sơn năm 2009 ...........................................................................................................................61 Hình 3.11. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thành Mỹ............61 năm 2009 ...................................................................................................................61 Hình 3.12. Sơ đồ mạng sông tính toán trong mô hình MIKE 11 – HD ....................64 Hình 3.13: Ghép nối MIKE-NAM và MIKE-HD .....................................................65 Hình 3.14. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Ái Nghĩa năm 2007 ...................68 Hình 3.15. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Giao Thủy năm 2007 .................69 Hình 3.16. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Câu Lâu năm 2007 ....................69 ix Hình 3.17. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Cẩm Lệ năm 2007 .....................70 Hình 3.18. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Ái Nghĩa năm 2006 và 2009. ....71 Hình 3.19. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Giao Thủy năm 2006 và 2009. .72 Hình 3.20. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Câu Lâu năm 2006 và 2009 .......72 Hình 3.21. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Cẩm Lệ 2009. ............................73 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn là hệ thống sông lớn thuộc khu vực duyên hải Miền Trung và là một trong 9 hệ thống sông lớn ở nước ta, với diện tích 10.350km2. Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn bắt nguồn từ vùng núi tỉnh Kon Tum, chảy qua tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng, sau đó đổ ra biển Đông theo lối Cửa Đại và cửa sông Hàn. Toàn bộ lưu vực sông nằm trọn trong phần sườn Đông của dãy Trường Sơn, nơi có thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là trung tâm kinh tế, thương mại, du lịch của của khu vực Trung bộ, có mạng lưới giao thông hàng không, đường sắt, mạng lưới đường bộ nối với phần lãnh thổ phía Bắc, phía Nam và các tỉnh vùng Tây Nguyên, là đầu mối giao thông đối ngoại nối nước ta với nước bạn Lào, có cảng biển quốc tế phát triển xuất nhập khẩu, cửa ngõ nối khu vực Miền Trung với thế giới qua đường hàng hải... Trong vùng có nhiều danh lam thắng cảnh, các khu công nghiệp đã và đang đi vào sử dụng và khai thác thu hút đầu tư trong, ngoài nước là những thuận lợi cơ hội phát triển kinh tế nội vùng. Trên lưu vực do địa hình khá phức tạp, phần lớn là núi cao, bị chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thời tiết khắc nghiệt, chất lượng thảm thực vật bị suy giảm, thiên tai bão lũ luôn xảy ra và có xu hướng ngày càng ác liệt với đặc trưng lũ cơ bản: Tần suất lớn, thời gian truyền lũ rất nhanh, cường suất lũ lớn và rất bất ổn định thay đổi theo từng đoạn sông và từng trận lũ, thời gian lũ lên rất ngắn từ 1 đến 3 ngày gây ra ngập lụt nghiêm trọng vùng hạ lưu. Vì vậy, nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra, việc xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn hiệu quả và ít tốn kém đang là một vấn đề cấp thiết. Luận văn này tiến hành “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn”. Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở giúp lựa chọn phương án tốt dự báo phòng chống lũ hiệu quả cho lưu vực cũng như là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà hoạch định chính sách và ra quyết định ở địa phương. 2 2. Mục tiêu của đề tài Xây dựng các phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn từ đó đánh giá lựa chọn được phương án dự báo lũ thích hợp góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra trên lưu vực. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn. * Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (điểm dự báo thử nghiệm tại trạm Ái Nghĩa và Giao Thủy). * Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận văn sử dụng gồm: - Phương pháp phân tích thống kê: Thu thập, xử lý số liệu - Phương pháp kế thừa: Tham khảo và kế thừa các tài liệu, số liệu, kết quả, các hồ sơ báo cáo, hội thảo có liên quan đã được nghiên cứu trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức. - Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để dự báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. - Công cụ - công nghệ GIS - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo, xin ý kiến, kinh nghiệm của các chuyên gia trong các lĩnh vực cần nghiên cứu, đồng thời kế thừa được những thành quả đạt được. 4. Bố cục của luận văn Luận văn có mở đầu, 3 chương, kết luận - kiến nghị và tài liệu tham khảo: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ và lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và xây dựng cơ sở dữ liệu Chương 3: Xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. Kết luận - kiến nghị Tài liệu tham khảo 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 1.1. Tổng quan phương pháp dự báo lũ Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ máy tính, các vệ tinh khí tượng, rađa thời tiết…nên có rất nhiều lý thuyết cũng như các phương pháp để giải quyết các bài toán dự báo. Đối với nước ta do đặc thù từng vùng có vị trí địa lý, khí hậu, địa hình phức tạp nên công tác dự báo lũ chưa có một phương pháp nào chiếm được ưu thế tuyệt đối. Vì vậy, bên cạnh việc ứng dụng các phương pháp truyền thống như là các phương pháp thống kê, phương pháp hồi quy, tương quan, mực nước tương ứng… thì việc ứng dụng phương pháp mô hình toán, sử dụng các phương pháp dự báo số trị thông qua các mô hình giải bài toán thuỷ động lực cũng đang là xu thế hiện nay trên thế giới. Nhưng vẫn rất cần kinh nghiệm của người làm dự báo. 1.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng Phương pháp dự báo này dựa vào quy luật chuyển động của nước trong sông và vào quy luật tập trung nước của lưu vực của từng nhánh sông và phân phối của nó theo dọc sông. Phương pháp mực nước tương ứng là phương pháp đã có từ lâu và được dùng tương đối rộng rãi ở các nước cũng như ở nước ta. Trong sông thiên nhiên sở dĩ có sự thay đổi mực nước hoặc lưu lượng với cường suất lớn, phần lớn là do quá trình chuyển động sóng lũ tạo nên bởi lượng mưa rơi trên lưu vực. Mặc dù trong quá trình chuyển động sóng lũ từ thượng lưu về hạ lưu, sóng lũ dần dần bị biến dạng, song do sóng lũ là loại sóng chuyển dịch có khả năng mang những khối nước lớn (khác với sóng do gió tạo nên), độ dốc của lũ nhỏ, chiều cao và chiều dài biến đổi chậm theo chiều dài sông. Do đó sóng lũ trong sông được xem là trạng thái chuyển động không ổn định biến đổi chậm. Như vậy khi biết được các đặc trưng sóng lũ ở các trạm trên có thể tính sóng lũ ở trạm dưới sau một thời gian chảy truyền, tức là có thể dự báo được mực nước, lưu lượng tại thời điểm mà sóng lũ chuyển qua. 4 1.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ Phương pháp này dựa trên việc xây dựng các quan hệ giữa tổng lượng mưa lưu vực với đỉnh lũ hoặc biên độ lũ tại vị trí cảnh báo, có xét đến các nhân tố ảnh hưởng như thời gian mưa, cường độ mưa, mực nước chân lũ, tổng lượng lũ tuyến trên, lượng gia nhập khu giữa. Nhược điểm của phương pháp là thời gian dự kiến ngắn, thường chỉ 6 đến 24 giờ. Nhiều phương pháp đã và đang được sử dụng để cảnh báo đỉnh lũ trên hệ thống sông như: + Phương pháp cảnh báo mực nước đỉnh lũ tại các vị trí dự báo khi có lũ lớn. + Phương pháp tương tự dựa trên sự phân biệt hình thế thời tiết tương tự, mưa ở lưu vực tương tự, nguyên nhân gây lũ để phân tích, cảnh báo lũ... 1.1.3. Phương pháp hồi quy bội Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở của phương hồi quy bội kết hợp với thuật toán lọc từng bước. Đây là một trong những phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong tính toán, dự báo khí tượng thuỷ văn. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ sử dụng và cho kết quả đáp ứng được yêu cầu. m Yi = bo+ b X j 1 i ij  Ui Với Yi là giá trị của biến phụ thuộc; Xji giá trị thứ i của biến độc lập thứ j; bj (j = 0  m) - các hệ số hồi qui; Ui - biến ngẫu nhiên không tương quan có kỳ vọng bằng không và phương sai không đổi. 1.1.4. Phương pháp mô hình toán Mô hình toán thủy văn có khả năng xem xét những diễn biến của hiện tượng thủy văn từ vi mô đến vĩ mô. Mô hình toán thủy văn đã và đang được ứng dụng trong quy hoạch, thiết kế, dự báo và khai thác tối ưu tài nguyên nước. Các mô hình ứng dụng trong dự báo thủy văn thường được phân làm 3 loại chính sau (hình 1.1) [9]: a. Mô hình ngẫu nhiên: Sự vận hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ thống các phương trình toán liên kết giữa các biến vào và biến ra của hệ thống. Các 5 biến lượng này có thể là các hàm theo thời gian và không gian, chúng cũng có thể là các biến ngẫu nhiên, các biến không lấy các giá trị xác định tại một điểm trong không gian và thời gian mà được mô tả bằng các phân bố xác suất. b. Các mô hình nhận thức: được xây dựng với mục đích cung cấp cơ sở vật lý của các mối quan hệ giữa dòng chảy và nhân tố ảnh hưởng. Phụ thuộc vào điều kiện thực tế, các mô hình này có thể mô tả một phần hoặc toàn bộ chu trình thuỷ văn. c. Mô hình thủy động lực học: Các mô hình mô phỏng quá trình thủy văn dựa vào cơ sở hệ thống các phương trình toán lý và các quan niệm lý luận về sự hình thành dòng chảy. MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tất định MH ngẫu nhiên + tất định Mô hình nhận thức Mô hình thông số tập trung Mô hình thông số phân bố Hình 1.1. Phân loại mô hình toán thủy văn Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng các mô hình thủy văn, trong những năm gần đây các mô hình tính toán thủy văn có sử dụng hệ thống thông tin địa lý GIS tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội. Các mô hình thủy văn kết nối với các mô hình thủy lực 1, 2 chiều sẽ là công cụ mạnh trong tính toán dự báo quá trình lan truyền lũ. 6 1.2. Tổng quan nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam và Thế Giới 1.2.1. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Thế Giới Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực cho các mục đích trên đã được sử dụng khá phổ biến, nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác quy hoạch phòng lũ. Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng và dự báo dòng chảy cho các lưu vực sông có thể được liệt kê ra như sau: Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) xây dựng phần mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa, mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông MunChi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia. Hiện nay, 5 công ty tư vấn CTI của Nhật Bản đã mua bản quyền của mô hình, thực hiện những cải tiến để mô hình có thể phù hợp với điều kiện thuỷ văn của Nhật Bản. Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm ISIS cho tính toán dự báo lũ và ngập lụt. Phần mềm bao gồm các mô đun: Mô hình đường đơn vị tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa, mô hình ISIS tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong chương trình sử dụng nước do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện. Trung tâm khu vực, START Đông Nam Á (Southeast Asia START Regional Center) đã xây dựng "Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông MêKông". Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực có thông số phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa. Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn và dự báo ngập lụt. 7 Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông. Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới. Ở Châu Á, mô hình đã được áp dụng ở Indonesia, Thái Lan. Gần đây, mô hình được cải tiến và phát triển thành HEC HMS có giao diện đồ hoạ thuận lợi cho người sử dụng. Trong một nghiên cứu về hệ thống dự báo lũ cho sông Maritsa và Tundzha, Roelevink và cộng sự đã kết hợp sử dụng mô đun mưa - dòng chảy MIKE 11- NAM và mô đun thủy lực MIKE 11- HD để tiến hành dự báo. Các mô hình này đã được hiệu chỉnh sử dụng số liệu các trận lũ năm 2005 và 2006. Kết quả từ hai mô hình này được kết hợp sử dụng với phần mềm FloodWatch để kết xuất ra mực nước dự báo và các cảnh báo tại các điểm xác định. Kết quả cho thấy rằng, số liệu đầu vào quyết định độ lớn của thời gian dự kiến. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu thời gian dự kiến ngắn và ngược lại. Năm 2006, Xiang-Yang Li, K.W.Chau, Chun-Tian Cheng, Y.S. Li sử dụng hệ thống cảnh báo trên Web cho vùng Shuangpai ở Trung Quốc (WFFS). Dự báo lũ truyền thống và vận hành các hồ chứa ở Trung Quốc trên cơ sở tính toán thủy văn thông qua chương trình tính trên máy tính. WFFS mang lại ý nghĩa thuận tiện hơn cho người dự báo lũ và điều khiển, cho phép phân bố thời gian thực trong phạm vi rộng, cảnh báo lũ tại các vị trí khác nhau theo không gian và thời gian. WFFS đã phát triển ngôn ngữ Java và ứng dụng trong khu vực Shuangpai với kết quả tốt. Ngoài ra, một số mô hình nhận thức TANK, NAM, MERINA, WETSPA… cũng được ứng dụng trong công tác dự báo lũ. 1.2.2. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy và dự báo lũ trong hệ thống sông ở nước ta. Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng; Mô hình SAL và mô hình KOD đã có những đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông. Mô hình DHM đã được áp dụng thành công 8 trong tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực Thu Bồn - Vũ Gia, và nghiên cứu thủy lực hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả sử vỡ đập Hoà Bình, Sơn La v.v. Năm 2006, Đoàn Xuân Thủy, Hà Ngọc Hiến, Nguyễn Văn Điệp, Ngô Huy Cẩn và cộng sự, Sử dụng bộ chương trình IMECH_1D được phát triển bởi Viện Cơ học với các mô đun tính toán điều tiết hồ tự động và dự báo mực nước hạ du, tính toán điều tiết lũ phục vụ quy trình vận hành liên hồ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình. Năm 2010, Đặng Thanh Mai [15] (Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia.). Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn. Năm 2011, Nguyễn Lan Châu và Bùi đình Lập đã sử dụng các mô hình mưa rào dòng chảy TANK và diễn toán Muskingum - Cunge dự báo dòng chảy thượng lưu hệ thống sông Đà, Thao, Lô và Thái Bình; Mô hình thủy lực IMECH1D lấy dữ liệu đầu vào tại sáu biên trên từ hệ mô hình này (TANK + MuskingumCunge) dự báo dòng chảy hạ du hệ thống sông Hồng tại Phả Lại với thời gian dự kiến là 5 ngày. Năm 2012, Tô Thúy Nga, Lê Hùng [6] đã nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng lại trận lũ năm 2009 và đánh giá ảnh hưởng của việc xả lũ hồ A Vương đến ngập lụt hạ du. Đây là cơ sở định hướng cho việc nâng cao hiệu quả cắt lũ theo thời gian thực mà tác giả đang và sẽ tiếp tục nghiên cứu. Viện Địa Lý (2011), xây dựng mô hình thủy lực, trên lưu vực sông Vu GiaThu Bồn [11,12], nhằm sử dụng nó làm công cụ cho dự báo sớm diện và mức độ ngập lụt, hướng và vận tốc dòng chảy nhằm giảm thiệt hại tối đa cho người dân và của cải của các cư dân sống trên vùng ngập lũ. Với mục tiêu là xây dựng và triển khai các mô hình thủy lực và thủy văn để hỗ trợ cho các thể chế cấp tỉnh trong việc lập kế hoạch và quản lý lũ tại những vùng ngập thấp của tỉnh Quảng Nam; mô hình lũ sẽ cung cấp: một cơ chế quản lý lũ (như bản đồ khu vực lũ nguy hiểm và phân tích rủi ro thiên tai để củng cố quy hoạch sử dụng đất); một công cụ dự báo lũ và cảnh báo lũ (do đó nâng cao năng lực các cơ quan cấp tỉnh nhằm xác định, đánh giá,